國外化學密室逃脫游戲教學模式評析

李娟 高文蓓 凌一洲

摘要： 化學密室逃脫游戲是以化學知識為線索，結合化學理論知識、實驗操作和超出學生認知之外的空間布局而設計的教學游戲。該游戲把學科知識與真人密室逃脫游戲加以優(yōu)化組合，以解決化學問題為目標，激發(fā)學生學習興趣和參與熱情，促進學生的合作學習、主動學習和深度學習。從明晰化學密室逃脫游戲的內(nèi)涵出發(fā)，以此為基礎參照，進一步挖掘構成該模式的基本要素，并結合具體案例對該模式的設計與組織進行分析和闡述，最后總結該模式的典型特征，為其引入國內(nèi)提供借鑒和參考。

關鍵詞： 化學密室逃脫; 游戲教學; 教學模式; 問題解決

文章編號： 1005-6629（2020）02-0088-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

游戲教學是把教學內(nèi)容與生動有趣的游戲結合起來的教學模式。國內(nèi)外的游戲教學風潮盛行已久，在過去的十年里出現(xiàn)了多種不同形式的化學游戲，包括單詞游戲、紙牌游戲、棋盤游戲、電腦游戲等[1]。越來越多的案例表明，與傳統(tǒng)課堂形式相比，游戲教學允許學生扮演新的角色并融入生動的情境中，更加具有趣味性，可以促進學生的主動學習、深度學習和有效學習[2，3]。然而，目前的教學游戲大多以個人的形式參與，并不特別強調(diào)團隊的交流與合作。在目前提倡合作學習和同伴互助的背景下，國外研究者提出了“化學密室逃脫”的教學模式，受到了廣泛好評。下面就對相關研究進行介紹，以期對當前化學課堂教學的改進有所幫助。

2? 化學密室逃脫游戲簡介

密室逃脫（takagism）是一款線上解謎類游戲，主要情節(jié)是將玩家困在一個密封房間里，需要通過點擊鼠標尋找“密室”內(nèi)的線索和關鍵物品，并結合一些技巧去破解其中的秘密以逃出該“密室”。而真人密室逃脫游戲（reallife room escape）是一款多人實境游戲，3～8個游戲者被困在一個被賦予逼真主題場景和故事劇情的“密室”中，需要通過集體協(xié)同的邏輯思維推理過程，尋找“密室”內(nèi)的關鍵物品、線索或破解機關道具，層層解謎并揭開真相，在限定的時間內(nèi)完成任務并成功逃出密室[4]。

化學密室逃脫游戲以化學知識為線索，結合化學理論知識、化學實驗操作和超出學生認知之外的空間布局，以獨特的呈現(xiàn)方式為學生提供全方位的互動形態(tài)。在游戲過程中，學生的操作能直接影響過程的順序和內(nèi)容，從而讓學生突破時間和精神上的束縛，深度融入游戲情境中。該游戲不僅能提高學生的參與感、充分發(fā)揮主動性和促進深度學習，還在一定程度上解決了由于長時間對著冰冷的屏幕和日益增長的虛擬技術產(chǎn)生的疏離感。

3? 化學密室逃脫游戲的基本要素

雖然化學密室逃脫游戲的設計本質(zhì)是一種游戲，但設計者需要賦予其化學教育的功能。因此在設計游戲時不僅需要遵循游戲設計的基本原則，還要盡可能滿足實際教學的需求和可行性。根據(jù)Zimmerman和Ran等人的觀點，將該教育模式所包含的主要要素總結如下[5，6]。

（1） 系統(tǒng)： 游戲是由若干元素組成的系統(tǒng)，這些元素類似于現(xiàn)實生活中的難題，只要學生按照正確的順序解決這些難題即可完成游戲。

（2） 玩家： 學生一般以3～8人（建議4人）小組的形式參與，游戲的完成需要團隊的共同努力。

（3） 情境： 營造一個與學生日常生活截然不同的虛構情境，例如虛擬的破案現(xiàn)場。

（4） 謎題： 謎題必須以解決具有挑戰(zhàn)性的問題為目標，例如在實驗室中尋找隱藏的“炸彈”并逃脫。

（5） 規(guī)則： 在活動開始前，需要以視頻或文字的形式介紹游戲規(guī)則，包括哪些行為允許/不允許出現(xiàn)在游戲中，哪些地方可以使用提示，使用提示之后的后果以及注意事項等。

（6） 結果： 學生在完成操作后，可以在較短的時間內(nèi)得到反饋，明確地知道能否進入下一環(huán)節(jié)，或能否最終脫離危險。例如，學生在測得實驗數(shù)據(jù)后，可以把該數(shù)據(jù)輸入密碼鎖，如果成功開鎖，則說明結果正確，并進入下一環(huán)節(jié)，如果無法開鎖則說明上一步所得結果錯誤。

（7） 聯(lián)系課程： 游戲內(nèi)容應盡可能與學生應該掌握的化學知識和技能聯(lián)系起來。例如David Watermeier等人的案例以復習期末考試為主題，涉及單位轉換、實驗設備使用、玻璃儀器識別、電子配對、元素周期表、物質(zhì)命名、軌道雜化、平衡方程式等一系列與教材匹配的化學知識[7]。

4? 化學密室逃脫游戲的設計思路

化學密室逃脫游戲的設計思路與解決化學問題的一般思路相吻合。見圖1左部的“問題解決的一般過程”，在解決真實情境中的化學問題時，需要先對問題進行分析和識別，然后通過實驗（取樣、分析和數(shù)據(jù)處理等）獲得足夠的證據(jù)，最后解釋結果并得出結論[8，9]。

在密室逃脫游戲中，學生進入密室后會獲得一些線索（問題情境），但一開始對于需要解決的問題并不明確，需要對現(xiàn)有的材料進行分析，才能明確地識別問題（發(fā)現(xiàn)問題）。接著學生需要設計解決問題的方案（設計分析的過程），試圖解決問題。在多數(shù)情況下，學生需要進行必要的實驗操作和邏輯推理方能得到結果。最后，學生根據(jù)得出的結論破解謎題，進入下一個環(huán)節(jié)。

5? 化學密室逃脫游戲的實施案例

本文以Vergne[10]設計的化學密室逃脫游戲為案例，其實施流程見圖1右部。

圖1? 化學密室逃脫游戲的實施過程

5.1? 測定樣品濃度，打開鎖箱A

學生進入密室，首先能看到散落在實驗室長凳上的拼圖紙片。學生短時間內(nèi)可能不會注意到拼圖的必要性，經(jīng)過一番探索，才意識到這個拼圖是他們必須完成的項目，完成該項目后方能繼續(xù)尋找下一條線索。

當學生合作完成拼圖后，可以發(fā)現(xiàn)其背面是一個蘇打水罐的圖像，并附有打開罐子的方法。學生根據(jù)該條線索，從夾子上找到該蘇打水罐并打開，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有一個隱藏的隔間，里面藏著一個用于紫外-可見光光譜分析的石英吸收池，隔間內(nèi)還裝著一種無色神秘液體（20mg/L的咖啡因水溶液）。學生還發(fā)現(xiàn)了一張紙（上面印有四個數(shù)字組合的前半部分）以及一個印著帶有字母“A”的鎖箱（以下簡稱“鎖箱A”）。這張紙條促使學生迅速在實驗室內(nèi)尋找一個標有“A”的鎖箱。這些線索共同引導著學生使用實驗室內(nèi)的紫外-可見分光光度計測量該溶液的吸光度。

學生在投影機屏幕的掛線上發(fā)現(xiàn)了鎖箱A。學生拉下投影儀屏幕，此時他們會得到一張帶有標準曲線和朗伯-比爾定律方程的線索紙。線索給出了未知液體的摩爾吸光系數(shù)，并指出鎖箱A的最后兩位數(shù)是蘇打水罐內(nèi)樣品濃度的前兩位數(shù)。學生用紫外-可見分光光度計測得樣品最大波長處的吸光度λmax為283nm，利用校準曲線中的方程求出濃度值，得到鎖箱A所需要的最后兩位數(shù)（密碼）。輸入數(shù)值后，學生成功解開鎖箱A。

5.2? 分析樣品并推理元素，打開鎖箱B

鎖箱A中藏有一把彩色鑰匙和一個小瓶，這是進入下一環(huán)節(jié)的關鍵線索。該鑰匙以顏色為編碼，表示該鑰匙能打開與之顏色匹配的門鎖。該小瓶中裝有少量未知溶液，且標有“GC”字樣，表明該樣品是需要進行氣相色譜分析的。

學生不難發(fā)現(xiàn)，側室的門鎖恰好與上述鑰匙顏色相匹配。打開門后發(fā)現(xiàn)實驗室內(nèi)的計算機正在運行著GC軟件，并且正在運行著一個實驗軟件。學生很快分析出需要進行氣相色譜分析。將小瓶插入自動取樣的小瓶架中，并在軟件中操作選擇規(guī)定的小瓶位置。貼在GC上的是一張紙條指示著鎖箱B密碼的前兩位數(shù)字。這條線索的前兩位數(shù)字與鎖箱B中所提供的待測物的保留時間（以分鐘為單位）的前兩位數(shù)相匹配。

完成上述測試后，解開鎖箱B的密碼還需要兩個數(shù)字。另一條線索藏于實驗室的長凳上，是一張元素周期表和一些文本提示，學生需要根據(jù)線索推理出氪元素，其原子序數(shù)36就是鎖箱B密碼的后2位。于是，學生打開了鎖箱B。

5.3? 尋找樣品并分析成分，逃出密室

打開鎖箱B后，學生發(fā)現(xiàn)另一把彩色鑰匙和一個小瓶。根據(jù)顏色不難發(fā)現(xiàn)，該鑰匙與第二側房間的鎖配對，且上面有一個GCMS標記。而小瓶中含有一個未知的液體樣本（水楊酸甲酯溶液）。

密室內(nèi)的自動進樣器支架上有

90個編號井，放置了約20個樣品瓶。學生的最終任務是找到其中指定的樣品瓶，并分析其成分名稱。為了找到要測試的樣品瓶，學生首先需要對鎖箱B中的未知液體樣品進行分析，尋找線索。

他們打開連接在計算機上的FTIR設備，當按下電腦上的一個鍵時，顯示器被喚醒，在屏幕中央呈現(xiàn)一條信息：“羰基峰匹配波數(shù)的最后兩位數(shù)是多少？”這是在GCMS上運行的小瓶號的提示信息。學生用滴管將溶液樣品放置在傅里葉變換光譜儀的衰減內(nèi)全反射裝置（ATR）上，獲得樣品的紅外光譜。水楊酸甲酯的羰基峰位于1673cm-1處。表明需要進行GCMS的正確樣品瓶為73。

最后，學生用GCMS儀對73瓶進行分析。利用質(zhì)譜軟件庫（NIST 98庫），學生很快找到了同一化學物質(zhì)： 水楊酸甲酯。一旦學生正確地提交物質(zhì)的名稱，他們就完成了游戲，并被允許“逃離”房間。

5.4? 游戲結束后的回顧與指導

游戲的結束并不意味著學習的完成，教師還要安排學生進行匯報，重點介紹儀器使用的方法，幫助學生加深印象，或者及時糾正學生的某些不恰當、不規(guī)范的操作，同時總結水楊酸甲酯的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)。在游戲中，教師應注意提醒學生不要無依據(jù)地猜測可能的密碼，應鼓勵他們?nèi)ソ鉀Q所呈現(xiàn)的謎題。同時要提醒學生不要在實驗室外告訴其他小組如何解決逃逸游戲的謎題。

以上案例主要為單一的化學學科內(nèi)容，情境設置也比較簡單，主要為直接解決問題的過程，學生按照指示并不難發(fā)現(xiàn)線索并解決謎題。但在現(xiàn)實生活中，我們遇到的往往是更為復雜的情境，涉及的知識綜合性較強，問題也要復雜得多。所以教師需根據(jù)學生所處的不同學習階段和自身的能力為學生設計不同難度和復雜程度的“逃脫”謎題和線索。

6? 化學密室逃脫游戲的典型特征

密室逃脫游戲的內(nèi)容可以根據(jù)不同的學科、學習階段和知識背景進行設計，并不局限于在化學學科中使用，更深一層次的意義在于采用了游戲教學的教學理念和教學模式，向學習者傳遞特定的價值觀，以更具趣味性的方式進行學習。以下是這種教學模式的典型特征。

6.1? 整合趣味實驗，激發(fā)學習興趣

化學密室逃脫游戲的一個突出特點是理論教學與化學實驗相結合，采用多種方式激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的研究意識和科學素養(yǎng)。在游戲過程中，可以以文字、圖片、符號、實物、視頻、音頻等多種形式呈現(xiàn)知識，學生以此為基點回憶相應的知識并進行后續(xù)的實驗操作。這樣，書本上的知識就變得鮮活生動，學生自然印象深刻。經(jīng)過精心篩選和設計的系列實驗不僅緊扣課堂教學內(nèi)容，而且具有相當?shù)膯l(fā)性和趣味性，能有效地激發(fā)學生對未知事物的好奇心和學習興趣。

例如，酸堿反應是中學化學學習的重要概念，學生需要掌握酸和堿的組成、酸和堿的性質(zhì)、中和反應、pH等重要知識點。因此，Peleg[11]設計的游戲中就包括了“水的制備”環(huán)節(jié)——提供四種裝有無色透明液體（可能是1mol/L NaOH溶液、1mol/L HCl溶液、1mol/L H2SO4溶液和H2O，但沒有標簽）以及酚酞溶液、pH試紙和一些常見實驗儀器。通關的要求之一是制備40mL水。此時學生需要首先識別酸、堿和水，再識別鹽酸和硫酸，最后利用酸堿反應制備水。以往關于這部分知識多采用傳授式教學，只要求學生記下相應的性質(zhì)，然后做練習題。但在這個過程中，學生首先調(diào)動大腦中的知識，然后通過趣味實驗學習或復習理論知識，學習興趣大增，有效地提升了教學效果。

6.2? 整合生動情境，指向問題解決

化學密室逃脫游戲的另一重要特點就是通過設置情境、發(fā)現(xiàn)/提出問題、分析問題、解決問題，最終讓學生掌握知識，即以問題為基礎進行學習。多樣的問題、豐富的情境，讓每一位學生都有機會參與到游戲過程，積極思考、獨立分析，有效地培養(yǎng)了學生自主學習知識和解決問題的能力。與該教學模式相比較，國內(nèi)教師往往更善于詳細而系統(tǒng)地講授基礎理論知識，學生也習慣于死記硬背地學習，這種學習方式最大的弊端是讓學生感覺所學知識沒有用，學習沒有成就感。而化學密室逃脫游戲將問題置于一個個生動的情境中，以化學史[12]或社會實例（破案現(xiàn)場等）[13]為情境，學生主動調(diào)用已學的學科知識來解決問題。學生在游戲結束后也表示通過這樣的學習方式，他們能更清楚地了解該歷史的發(fā)展，更深層次地體驗化學家的艱辛探索過程。

因此，國內(nèi)教師可以吸收這種教學模式的優(yōu)點，在化學教學過程中，穿插類似的游戲，將本來由教師主講的一些內(nèi)容和案例轉變成謎題的形式進行教學，引導學生主動參與，進行互動學習、探索學習。這種教學方法能有效地調(diào)動學生學習的積極性，更深入地理解知識，消化所學內(nèi)容，將枯燥的學科知識轉換成靈活的解決問題的能力，從而達到事半功倍的效果。

6.3? 整合學科內(nèi)外，拓寬思維空間

逃脫游戲中涉及的內(nèi)容非常豐富，樣品采樣、證據(jù)收集和答題形式不拘一格，跨越了學科限制。這樣的設計有助于培養(yǎng)學生跨學科、多角度地思考和解決問題的能力。例如，F(xiàn)erreiroGonzlez[14]設計的關于分析化學的逃脫游戲“CSI 1.0”，就要求學生通過扮演實習法醫(yī)化學家的角色來協(xié)助破案。參與者在不同的階段所運用的知識是不同的： 學生首先需要具備相應的分析化學的知識和技能，才能在“法醫(yī)實驗室”中通過實驗分析、數(shù)據(jù)處理和結果解釋來最終識別出“毒物”;其次還需要有較強的邏輯推理和觀察能力，才能在“科學警察局”階段尋找線索;最后還需要基本的行為學、心理學和社會學知識輔助活動的進行。

目前的中學化學課程教學中大都為純學科知識，測試的試題雖然有情境設置，但是考察內(nèi)容與情境聯(lián)系并不緊密，甚至相互脫離。盡管教師認為化學與生活密切相關，在化學的學習過程中盡量多地與社會相聯(lián)系，在試題設計過程中安排相應的情境，但限于教材和試卷的篇幅、教師的水平等因素，課堂教學和測試中很難做到化學與實際情境相結合。化學密室逃脫游戲很好地彌補了這一缺憾，其多樣的設計元素、豐富的背景知識、整合的跨學科知識，對于開闊學生視野、拓展思維空間，培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)都十分有益。

6.4? 整合歷史文化，發(fā)展人文素養(yǎng)

科學史具有陶冶情操、培養(yǎng)價值觀的功能，但由于它們內(nèi)容龐雜，容易讓學生覺得味同嚼蠟，不愿意學習。而密室逃脫游戲則可以很好地將科學史與游戲結合，實現(xiàn)文化與樂趣并存。以科學史為題材，讓學生在參與游戲的過程中，更深切感受精妙絕倫的科學世界，更好地了解科學發(fā)展的進程，充分領略科學家的偉大創(chuàng)造成果。

游戲與理論知識的結合革命性地轉變了傳統(tǒng)的教育模式，有望真正實現(xiàn)寓教于樂，讓學生身臨其境、浸入式地學習科學文化知識。Dietrich[15]設計的游戲中以勒布朗工藝為例，首先追溯到法國科學院舉辦的生產(chǎn)碳酸鈉的大賽，法國科學院希望

推動以廉價的氯化鈉為原料生產(chǎn)急需的碳酸鈉;然后讓學生通過一步步地解開謎題，解鎖勒布朗工藝;最后再對勒布朗工藝流程進行系統(tǒng)的介紹。游戲結束后還提示學生該工藝的污染性是產(chǎn)生第一部《環(huán)境保護法》的原因之一，引發(fā)學生進一步查閱文獻，

了解科學家后來對該工藝的改進。整個過程無需說教和灌輸，通過追溯科學的發(fā)展過程，學生就能切身體會到貫穿于科學知識中的科學思想，感受到滲透于科學活動中的科學美感，領悟到科學研究中的科學精神，以及科學家所遵循的科學倫理和科學活動對人類帶來的影響。密室逃脫游戲有效地整合了科學史與游戲各自的優(yōu)勢，增強學生的代入感，有利于學生真正了解科學，充分地發(fā)揮科學史的文化功能和精神價值，提升學生的人文素養(yǎng)。

7? 結束語

國外成功的教學實踐表明，化學密室逃脫游戲是學生綜合運用化學知識的有效方式，得到了廣大師生的好評。所以，本文提倡將化學密室逃脫游戲引入國內(nèi)，走進中學化學甚至各個學科的課堂，幫助學生開闊視野，培養(yǎng)科學興趣。

由于不同的國情、文化背景以及教育理念，我國與外國的教學模式有很大的差異，對于很多新興事物的接受程度也不一致。國內(nèi)許多教師和家長都認為游戲無法促進學生的學習，但國外卻能將其改進為幫助學生主動學習的工具，所以國外更加開放的教育理念與許多先進的教學模式均值得學習和借鑒。我們應當轉變傳統(tǒng)觀念，充分發(fā)揮游戲教學的優(yōu)勢，積累各種優(yōu)秀的教學資源，促進游戲教學的科學化、學科化，形成與先進教學理念和教學方法接軌的、符合中國國情的游戲教學模式，真正發(fā)揮游戲教學在培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才中的作用。

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